计算机图形学课件-地质大学第一章概述.ppt

1、第一章 概述 重 点：掌握计算机图形学研究的内 容、应 用领域以及图形硬件和软件系统。难点：理解光栅扫描显示器和随机扫描显示器的区别以及彩色显示机理。课时安排：授课2学时。计算机图形学（Computer Graphics）是随着计算机技术的发展而发展起来的一门新兴学科。计算机图形学研究怎样通过计算机来产生图形 （1）专题图件：地形图、地貌图、资源分布图、旅游资源图、土地利用现状图、管网分布图等；（2）照片、三维逼真图形等；（3）实体的视图，如：机械零件的正视图、侧视图等；（4）抽象概念的形象表示：计划图、饼图、统计曲线、流程图等。国际标准化组织（ISO）对计算机图形学的定义 计算机图形学是研究

2、通过计算机将数据转换为图形，并在专门的设备上输出的原理、方法和技术的学科。与计算机图形学密切相关的几门学科是：与计算机图形学密切相关的几门学科是：1、图像处理（、图像处理（Image Processing）图像处理利用计算机对图形和图像进行分析处图像处理利用计算机对图形和图像进行分析处理，继而再现图像。图形（图像）信息输入计算机理，继而再现图像。图形（图像）信息输入计算机中，按照不同的应用要求，计算机对图像进行各种中，按照不同的应用要求，计算机对图像进行各种各样的分析和处理。各样的分析和处理。例如，进行图像的存储、压缩、增强（突出例如，进行图像的存储、压缩、增强（突出某些特征）、复原（使模糊图

3、像清晰）、分割、重某些特征）、复原（使模糊图像清晰）、分割、重建、编码、传输等等，最后把经过加工处理后的结建、编码、传输等等，最后把经过加工处理后的结果重新输出。应用实例：工业中射线探伤、人体的果重新输出。应用实例：工业中射线探伤、人体的CT扫描、卫星遥感以及资源勘测。扫描、卫星遥感以及资源勘测。现在图像处理正从二维处理朝着三维图像生成、现在图像处理正从二维处理朝着三维图像生成、立体成像、多种传输媒体等方向发展。立体成像、多种传输媒体等方向发展。2、模式识别（、模式识别（Pattern Recognition）图像的模式识别所研究的问题与计算机图形学图像的模式识别所研究的问题与计算机图形学所研

4、究的问题是互逆的。模式识别是由图像来获得所研究的问题是互逆的。模式识别是由图像来获得对图像本身的描述。它是以图像为依据，将图像变对图像本身的描述。它是以图像为依据，将图像变换成数据、符号或者是抽象的图。换成数据、符号或者是抽象的图。例如，自动分检信封上的邮件编码、文本自动例如，自动分检信封上的邮件编码、文本自动阅读装置、还有地图符号的识别，都是先由扫描得阅读装置、还有地图符号的识别，都是先由扫描得到图像，然后经识别还原为图形或字符。到图像，然后经识别还原为图形或字符。3、计算几何（、计算几何（Computational Geometry）计算几何则着重讨论几何形体在计算机内的表计算几何则着重讨

5、论几何形体在计算机内的表示、分析和综合，研究怎样方便灵活地建立几何形示、分析和综合，研究怎样方便灵活地建立几何形体的数学模型，提高算法的效率，在计算机内如何体的数学模型，提高算法的效率，在计算机内如何更好地存储和管理这些模型等。它的研究内容包括更好地存储和管理这些模型等。它的研究内容包括曲线曲面的表示、生成、拼接和造型、三维立体造曲线曲面的表示、生成、拼接和造型、三维立体造型、离散数据插值等等。型、离散数据插值等等。计算机图形学与其他学科的关系 如下图所示，计算机图形学与图像处理、模如下图所示，计算机图形学与图像处理、模式识别、计算几何这几门相关学科之间正在式识别、计算几何这几门相关学科之间正

6、在不断相互渗透、相互沟通，其学科界线也变不断相互渗透、相互沟通，其学科界线也变得模糊起来。得模糊起来。例如，计算机图形学课程中往往要介绍例如，计算机图形学课程中往往要介绍参数曲线、曲面的数学表示；工程图扫描输参数曲线、曲面的数学表示；工程图扫描输入后要先用图象处理技术提取画面的特征信入后要先用图象处理技术提取画面的特征信息，然后再用模式识别技术生成矢量形式的息，然后再用模式识别技术生成矢量形式的各种几何元素。各种几何元素。图形系统的任务 1.1 计算机图形学的研究内容计算机图形学的研究内容 计算机图形学的研究内容涉及到用计算机对图形数计算机图形学的研究内容涉及到用计算机对图形数据进行处理的硬件

7、和软件两方面的技术，以及与图据进行处理的硬件和软件两方面的技术，以及与图形生成、显示密切相关的基础算法：形生成、显示密切相关的基础算法：1、二维图形元素的生成算法、二维图形元素的生成算法 点、直线、圆、弧、规则曲线、自由曲线、文点、直线、圆、弧、规则曲线、自由曲线、文本等图元的生成。本等图元的生成。2、二维图形的基本操作和图形处理算法、二维图形的基本操作和图形处理算法 对图形的平移、缩放、旋转、镜像、错切等操对图形的平移、缩放、旋转、镜像、错切等操作，此外还包括二维图形的裁剪、多边形填充以及作，此外还包括二维图形的裁剪、多边形填充以及二维图形的布尔运算（并、交、差）等。二维图形的布尔运算（并、

8、交、差）等。3、二维图形的输入输出、二维图形的输入输出 用图形输入设备实现人机交互及用户接口技术。用图形输入设备实现人机交互及用户接口技术。4、三维几何造型技术、三维几何造型技术 包括基本体素的建立与生成，规则曲面与自由曲面的构包括基本体素的建立与生成，规则曲面与自由曲面的构造，以及三维形体之间的布尔运算等。造，以及三维形体之间的布尔运算等。5、真实感图形的生成算法、真实感图形的生成算法 三维图形的消隐算法、光照模型的建立，阴影及彩色浓三维图形的消隐算法、光照模型的建立，阴影及彩色浓淡图的生成算法。淡图的生成算法。6、科学计算可视化技术、科学计算可视化技术 这是这是20世纪世纪90年代计算机图

9、形学领域的前沿课题。研年代计算机图形学领域的前沿课题。研究的是，将科学计算中大量难以理解的数据通过计算机图形究的是，将科学计算中大量难以理解的数据通过计算机图形显示出来，从而加深人们对科学过程的理解。例如，有限元显示出来，从而加深人们对科学过程的理解。例如，有限元分析的结果，应力场、磁场的分布，各种复杂的运动学和动分析的结果，应力场、磁场的分布，各种复杂的运动学和动力学问题的图形仿真等。力学问题的图形仿真等。在大学本科阶段，应着重了解前面三个内容，而后面三在大学本科阶段，应着重了解前面三个内容，而后面三个涉及三维图形的内容可留待研究生阶段去研究。个涉及三维图形的内容可留待研究生阶段去研究。计算

10、机图形学正以很快的速度向前发展，当前这一计算机图形学正以很快的速度向前发展，当前这一领域研究的前沿课题有：领域研究的前沿课题有：（1）图形软件与开发环境的标准化）图形软件与开发环境的标准化（2）提高算法的可靠性和效率提高算法的可靠性和效率 消隐算法、真实感彩色图像、明暗图、体素拼消隐算法、真实感彩色图像、明暗图、体素拼合中的曲面求交和拓扑处理等问题上。合中的曲面求交和拓扑处理等问题上。（3）用并行处理技术提高真实感图像的生成用并行处理技术提高真实感图像的生成速度速度 如采用多处理器，将一幅光栅图像的512512或更多个象素用几十个甚至几百个处理器并行计算，可以明显提高图像的生成速度。（4）探讨

11、自然景象的模拟方法探讨自然景象的模拟方法 采用纹理映射、分维技术、粒子系统等采用纹理映射、分维技术、粒子系统等方法再现景物表面的色彩和纹理细节，体现方法再现景物表面的色彩和纹理细节，体现山峦的粗糙岩面，重现云、火、水等飘忽不山峦的粗糙岩面，重现云、火、水等飘忽不定的景色。定的景色。（5）科学可视化）科学可视化1.2 计算机图形学的发展历史计算机图形学的发展历史1950年，美国麻省理工学院（年，美国麻省理工学院（MIT）研制出第一台图形显示器。）研制出第一台图形显示器。作为旋风作为旋风1号（号（Whirl Wind 1）计算机的输出设备。利用这台显示）计算机的输出设备。利用这台显示器在计算机的控

12、制下第一次显示了一些简单图形。随后，一些公司和研器在计算机的控制下第一次显示了一些简单图形。随后，一些公司和研究所也陆续地研制了绘图仪等一些简单的图形设备。但这些设备仅仅具究所也陆续地研制了绘图仪等一些简单的图形设备。但这些设备仅仅具有图形输出功能，因此这时的图形学只能算有图形输出功能，因此这时的图形学只能算“被动被动”的图形学。的图形学。随后，由麻省理工学院林肯实验室主持研制的随后，由麻省理工学院林肯实验室主持研制的SAGE空中警戒雷达空中警戒雷达系统，成功地把雷达波形转换成图形在显示器上显示出来。指挥员可以系统，成功地把雷达波形转换成图形在显示器上显示出来。指挥员可以通过光笔与系统交互，获

13、取某地区更详细的信息或发出命令。这个系统通过光笔与系统交互，获取某地区更详细的信息或发出命令。这个系统可以说是交互式计算机图形系统的雏形，它预示着交互式图形生成技术可以说是交互式计算机图形系统的雏形，它预示着交互式图形生成技术的诞生。的诞生。60年代是计算机图形学兴起和确立的年代。年代是计算机图形学兴起和确立的年代。1962年，美国麻省理工学院的年，美国麻省理工学院的Iven Sutherland发表了题目为发表了题目为“Sketchpad：一个人机通信的图形系统：一个人机通信的图形系统”的博士论文，在论文中他首的博士论文，在论文中他首次使用了次使用了“计算机图形学计算机图形学”（Comput

14、er Graphics）这个术语，指出交）这个术语，指出交互式计算机图形学是一个有生命力、有前途和振奋人心的研究领域，从互式计算机图形学是一个有生命力、有前途和振奋人心的研究领域，从而确立了计算机图形学作为一个崭新的科学分支的地位。而确立了计算机图形学作为一个崭新的科学分支的地位。他在论文中所提出的一些基本概念和技术，如交互技术、分他在论文中所提出的一些基本概念和技术，如交互技术、分层存储符号的数据结构等至今还在广为使用。层存储符号的数据结构等至今还在广为使用。与此同时，美国、英国、法国在汽车和飞机制造领域对与此同时，美国、英国、法国在汽车和飞机制造领域对计算机图形学开展了大规模研究。计算机图

15、形学开展了大规模研究。在计算机辅助设计（在计算机辅助设计（CAD）和计算机辅助制造（）和计算机辅助制造（CAM）中，一些相关的科研项目、商品化产品纷纷出现。但是，由中，一些相关的科研项目、商品化产品纷纷出现。但是，由于图形硬件设备非常昂贵，并且基于图形技术的应用相对较于图形硬件设备非常昂贵，并且基于图形技术的应用相对较少，所以直到少，所以直到80年代初，图形学仍然是一个较小的专业化学年代初，图形学仍然是一个较小的专业化学科。科。随后，情况发生了变化，由于大规模集成电路技术的快速发展，计算机硬件性能不断提高，体积缩小，价格降低，特别是廉价的图形输入输出设备和大容量存储介质的出现，使得以小型机、微

16、机、图形工作站为基础的图形系统进入市场并成为主流，如IBMPC、苹果机等微机和Apollo、Sun等工作站。80年代，是计算机图形系统迅速推广应用的年代。年代，是计算机图形系统迅速推广应用的年代。计算机图形软件功能开始部分地由硬件实现，计算机图形软件功能开始部分地由硬件实现，尤其是微机的大面积推广，进一步拓宽了图形学的尤其是微机的大面积推广，进一步拓宽了图形学的研究和应用，三维计算机图形学的国际标准研究和应用，三维计算机图形学的国际标准PHIGS和和GKS3D的颁布，为研制通用的图形系统提供的颁布，为研制通用的图形系统提供了良好的基础。了良好的基础。90年代，随着多媒体概念的提出年代，随着多媒

17、体概念的提出 计算机图形学已成为计算机系统必不可少的一计算机图形学已成为计算机系统必不可少的一个组成部分，并且迅速投入使用中。同时，随着面个组成部分，并且迅速投入使用中。同时，随着面向对象的程序设计语言的发展，也提出了面向对象向对象的程序设计语言的发展，也提出了面向对象的计算机图形系统。的计算机图形系统。作为计算机图形系统的一个重要组成部分作为计算机图形系统的一个重要组成部分图形显示器，随着计算机图形学的确立和发展也经图形显示器，随着计算机图形学的确立和发展也经历了从矢量显示器、存储管显示器到光栅显示器的历了从矢量显示器、存储管显示器到光栅显示器的发展过程。发展过程。图形输入设备也在发展，出现

18、了：拇指轮、图形输入设备也在发展，出现了：拇指轮、操作杆、跟踪球、光笔、鼠标、触摸屏、数操作杆、跟踪球、光笔、鼠标、触摸屏、数据手套、数字化仪、扫描仪等输入设备。据手套、数字化仪、扫描仪等输入设备。和图形硬件一样，图形软件也得到很大的发展，各种图形算法、图形标准、图形数据结构等逐渐成熟并投入使用，使计算机图形学成为一门成熟的学科。1.3 计算机图形学的应用领域计算机图形学的应用领域 图形比文字更直观、逼真且信息载荷量大，随着计算机图形图形比文字更直观、逼真且信息载荷量大，随着计算机图形学的发展，以及计算机软、硬件性能的提高和成本下降，用学的发展，以及计算机软、硬件性能的提高和成本下降，用计算机

19、处理图形的领域越来越广泛，下面是一些主要的应用计算机处理图形的领域越来越广泛，下面是一些主要的应用领域。领域。一、计算机辅助设计与制造（一、计算机辅助设计与制造（CAD/CAM）这是一个最广泛、最活跃的应用领域，在机械、建筑、这是一个最广泛、最活跃的应用领域，在机械、建筑、汽车、飞机、造船、电子等领域有着广泛的应用。如机械结汽车、飞机、造船、电子等领域有着广泛的应用。如机械结构和零部件的设计，土木建筑工程及其图纸的设计，汽车、构和零部件的设计，土木建筑工程及其图纸的设计，汽车、飞机、轮船的外形设计，集成电路、印刷线路板的设计等。飞机、轮船的外形设计，集成电路、印刷线路板的设计等。过去在这些设计

20、工作中，用的是绘图板加丁字尺的传统过去在这些设计工作中，用的是绘图板加丁字尺的传统设计方法，现在正迅速地被设计方法，现在正迅速地被CAD技术所代替。使用技术所代替。使用CAD技技术后，不仅提高了设计效率，缩短了设计周期，改善了设计术后，不仅提高了设计效率，缩短了设计周期，改善了设计质量，降低了设计成本，而且可以为后续工序的计算机辅助质量，降低了设计成本，而且可以为后续工序的计算机辅助制造（制造（CAM）建立起）建立起CAD数据库，使数据库，使CAD/CAM联成一体，联成一体，为生产自动化奠定基础。为生产自动化奠定基础。CAD/CAM是高新技术，是先进的生产力，它已经是高新技术，是先进的生产力，

21、它已经并将进一步给人类带来巨大的影响和利益。现在，并将进一步给人类带来巨大的影响和利益。现在，CAD技术的水平已成为衡量一个国家工业技术水平技术的水平已成为衡量一个国家工业技术水平的重要标志。的重要标志。二、科学计算可视化二、科学计算可视化 用图形来表示大量数据计算的结果或中间过程。用图形来表示大量数据计算的结果或中间过程。例如：例如：科技工作者需要认真分析大量的计算结果以确科技工作者需要认真分析大量的计算结果以确定一个系统的描述；定一个系统的描述；商业主管需要分析大量的统计数据以做出对未商业主管需要分析大量的统计数据以做出对未来商业行为的决策；来商业行为的决策；医生需要面对大量的医生需要面对

22、大量的CT数据以确定病人体内数据以确定病人体内是否发生病变及何处发生病变；是否发生病变及何处发生病变；气象人员需要处理气象卫星传回的大批数据以气象人员需要处理气象卫星传回的大批数据以绘出未来一段时间内的天气变化趋势图。绘出未来一段时间内的天气变化趋势图。分析处理这些大批数据是艰难和枯燥的，但如果应分析处理这些大批数据是艰难和枯燥的，但如果应用计算机图形处理技术建立数据与图形之间的关系用计算机图形处理技术建立数据与图形之间的关系并将它们以图形的形式在屏幕上显示出来，则使用并将它们以图形的形式在屏幕上显示出来，则使用者很容易观察其中的各种现象并找出变化规律。者很容易观察其中的各种现象并找出变化规律

23、。这种研究如何将来自科学、工程、医学等领域这种研究如何将来自科学、工程、医学等领域的抽象数据用图形表示的学科称为科学计算可视化。的抽象数据用图形表示的学科称为科学计算可视化。可视化技术发展很快，已广泛应用于流体力学、有可视化技术发展很快，已广泛应用于流体力学、有限元分析、医学、遥感等领域。限元分析、医学、遥感等领域。三、地理信息系统与制图三、地理信息系统与制图 地理信息系统是建立在地理图形之上的关于人口分布、矿藏分布、森林覆盖、土地利用、旅游资源、海洋地理、地形地貌、山川河流分布、区域规划、城市交通、管线管网等综合信息管理系统。目前，它在发达国家中已得到广泛应用，我国也对其开展了目前，它在发达

24、国家中已得到广泛应用，我国也对其开展了广泛的研究与应用，全国数十所高校也纷纷设置地理信息系广泛的研究与应用，全国数十所高校也纷纷设置地理信息系统专业。在地理信息系统中，计算机图形技术被用来产生高统专业。在地理信息系统中，计算机图形技术被用来产生高精度的上述各种资源的专题图，并为管理者提供有效的决策精度的上述各种资源的专题图，并为管理者提供有效的决策和帮助。和帮助。四、事务管理和办公自动化四、事务管理和办公自动化 无论是企业还是事业行政管理中，都存在着大量的图表，无论是企业还是事业行政管理中，都存在着大量的图表，如作业进程表、生产产量表、库存表、销售统计图、生产计如作业进程表、生产产量表、库存表

25、、销售统计图、生产计划表，以及统计分析方面的各种图表。这些图表都可以用计划表，以及统计分析方面的各种图表。这些图表都可以用计算机图形技术产生的直方图、饼图和折线图来表示。算机图形技术产生的直方图、饼图和折线图来表示。在办公自动化方面，各国都非常重视。办公自动化系统可以从联网的数据库中，取出所需要的数据，用清晰明了的图表在屏幕上显示或在打印机、绘图仪上输出。五、虚拟现实系统五、虚拟现实系统 虚拟现实又称为虚拟环境，是指由计算机实时虚拟现实又称为虚拟环境，是指由计算机实时生成一个虚拟的三维空间。这个空间可以是小到分生成一个虚拟的三维空间。这个空间可以是小到分子、原子的微观世界，或是大到天体的宏观世

26、界，子、原子的微观世界，或是大到天体的宏观世界，也可以是类似于真实社会的生活空间。用户可以在也可以是类似于真实社会的生活空间。用户可以在这个三维空间中这个三维空间中“自由自由”地走动，随意地观察，并地走动，随意地观察，并可以通过一些特殊的设备与所处的虚拟景物进行交可以通过一些特殊的设备与所处的虚拟景物进行交互操作。互操作。交互是多通道的、自然的，用来传递的信息可交互是多通道的、自然的，用来传递的信息可以是某个操作、一个手势、一个眼神，也可以是一以是某个操作、一个手势、一个眼神，也可以是一个表情等。在此环境中，用户看到的是由计算机生个表情等。在此环境中，用户看到的是由计算机生成的逼真图像，听到的

27、是虚拟环境中的声音，身体成的逼真图像，听到的是虚拟环境中的声音，身体可以感受到虚拟环境所反馈的作用力，由此产生身可以感受到虚拟环境所反馈的作用力，由此产生身临其境的感觉。临其境的感觉。虚拟现实技术主要研究用计算机模拟三维图形空间，虚拟现实技术主要研究用计算机模拟三维图形空间，并使用户能够自然地与该空间进行交互。在模拟训并使用户能够自然地与该空间进行交互。在模拟训练中，可以用来训练飞机驾驶员操纵飞机飞行、训练中，可以用来训练飞机驾驶员操纵飞机飞行、训练宇航员驾驶登月舱登月。练宇航员驾驶登月舱登月。在模拟训练中，驾驶员的操作实时地变换成三维场景并投影在球形房间的内壁上，以模拟空中飞行的环境和状态，

28、同时配上模拟飞行的音响效果，使驾驶员在训练驾驶舱内所见到的外部景物如同在真实的空中一样。这样的训练，既安全又方便，且节省了训练费用。目前，该技术已在航空航天、医学、教育、艺术、建筑等领域得到初步的应用。六、过程控制和指挥系统六、过程控制和指挥系统 将各种实时过程的重要参数，如火箭的将各种实时过程的重要参数，如火箭的运行状态，炼油厂、发电厂和电力系统送来运行状态，炼油厂、发电厂和电力系统送来的压力、温度、电压、电流等数据传送到计的压力、温度、电压、电流等数据传送到计算机，用图形方式进行显示，管理人员对图算机，用图形方式进行显示，管理人员对图形进行监控，并对异常情况作出调整。形进行监控，并对异常情

29、况作出调整。此外，现在大量的指挥系统，军用指挥、此外，现在大量的指挥系统，军用指挥、铁路调度、机场指挥等系统，也用图形进行铁路调度、机场指挥等系统，也用图形进行监视与控制。监视与控制。七、计算机动画七、计算机动画 为了产生连续的动画，每秒至少需要为了产生连续的动画，每秒至少需要24帧画面。因而，帧画面。因而，一部两小时的动画片就需要十几万张画面，如果用传统的方一部两小时的动画片就需要十几万张画面，如果用传统的方式手工绘制，工作量是巨大的。式手工绘制，工作量是巨大的。首先要由原画设计师创作出人物、场景的关键画面，而首先要由原画设计师创作出人物、场景的关键画面，而两个关键画面之间的变化过程由其它动

30、画工作者逐张完成。两个关键画面之间的变化过程由其它动画工作者逐张完成。中间画的张数取决于人物动作变化的幅度及运动规律，要使中间画的张数取决于人物动作变化的幅度及运动规律，要使动作过渡得平滑自然。动作过渡得平滑自然。60年代制作动画片年代制作动画片大闹天宫大闹天宫时，时，就花了几十位动画工作者近两年的时间。就花了几十位动画工作者近两年的时间。如果用计算机图形技术来制作，一方面可以利用造型工如果用计算机图形技术来制作，一方面可以利用造型工具创作出形象逼真的演员、场景，另一方面可以在关键画面具创作出形象逼真的演员、场景，另一方面可以在关键画面之间利用图形变换技术自动插入中间画面。这样大大提高了之间利

31、用图形变换技术自动插入中间画面。这样大大提高了动画制作的质量和效率。动画制作的质量和效率。现在，基于计算机图形技术的计算机动画软件3D MAX、Computer Animation被广泛用于电视广告、节目片头、科教演示、电子游戏等的制作。1.4 图形硬件设备 与一般计算机系统一样，计算机图形系统也是由硬件和软件两部分组成。硬件包括主机、输入设备和输出设备。输入设备通常为键盘、鼠标、数字化仪、扫描仪和光笔等。输出设备则为图形显示器、绘图仪和打印机。这里主要介绍图形输出设备，而图形输入设备的内容放在交互技术那一章去介绍。1.4.1 显示设备显示设备 图形系统一般使用视频显示器作为基本的输出图形系统

32、一般使用视频显示器作为基本的输出设备，目前大部分视频显示器的操作是基于标准的设备，目前大部分视频显示器的操作是基于标准的阴极射线管（阴极射线管（CRT：Cathode Ray Tube）设计的。）设计的。此外，还有液晶显示器和等离子板显示器等，它们此外，还有液晶显示器和等离子板显示器等，它们体积小，功耗少，主要用于便携式电脑上。体积小，功耗少，主要用于便携式电脑上。一、刷新式一、刷新式CRT 刷新式刷新式CRT结构示意图如下图所示。结构示意图如下图所示。CRT由五由五部分组成：电子枪、加速电极、聚焦系统、偏转系部分组成：电子枪、加速电极、聚焦系统、偏转系统和荧光屏，这五部分都封装在真空管内。统

33、和荧光屏，这五部分都封装在真空管内。电子枪由灯丝、阴极和控制栅极组成。灯丝加热阴极，阴极表面向外发射自由电子，控制栅控制自由电子发出的强弱。发出的电子在加速电极的作用下，形成一股高速的电子束，在到达屏幕的途中，被聚焦系统（电子透镜）聚焦成很细的电子束，再由偏转系统产生偏转电场（或磁场），使得电子束左右、上下偏转，从而控制荧光屏上的光点落在指定的位置上。荧光屏上涂有一层荧光粉，受到电子束打击时会发荧光屏上涂有一层荧光粉，受到电子束打击时会发出荧光。当打击结束后，荧光仍会保持一段时间才出荧光。当打击结束后，荧光仍会保持一段时间才消失，这种现象称为余辉，荧光亮度随着时间按指消失，这种现象称为余辉，荧

34、光亮度随着时间按指数衰减，为了使人们看到一个稳定而不闪烁的图形，数衰减，为了使人们看到一个稳定而不闪烁的图形，整个画面必须在每秒钟内重复显示许多次，这也称整个画面必须在每秒钟内重复显示许多次，这也称为屏幕刷新。为屏幕刷新。CRT上用的荧光物质有多种，除颜色不同外，上用的荧光物质有多种，除颜色不同外，荧光物质的主要差别在于它们的余辉保持时间，短荧光物质的主要差别在于它们的余辉保持时间，短余辉荧光层需要较高刷新速度，才能保证屏幕图像余辉荧光层需要较高刷新速度，才能保证屏幕图像不闪烁。短余辉荧光层用于动画，而长余辉荧光层不闪烁。短余辉荧光层用于动画，而长余辉荧光层则用来显示高复杂程度的静态图形。对于

35、图形显示则用来显示高复杂程度的静态图形。对于图形显示CRT，通常采用余辉时间为，通常采用余辉时间为10s60s的荧光材的荧光材料。料。二、彩色二、彩色CRT显示器显示器 CRT显示器利用能发射不同颜色的荧光物质的显示器利用能发射不同颜色的荧光物质的组合来显示彩色图形。组合不同荧光物质的发射光，组合来显示彩色图形。组合不同荧光物质的发射光，便能生成一定范围的彩色。用便能生成一定范围的彩色。用CRT产生彩色显示的产生彩色显示的两种基本技术是电子束穿透法和荫罩法。两种基本技术是电子束穿透法和荫罩法。电子束穿透法用于随机扫描显示器。两层荧光电子束穿透法用于随机扫描显示器。两层荧光层，通常是一红一绿，涂

36、覆在层，通常是一红一绿，涂覆在CRT屏幕的内层，而屏幕的内层，而显示的颜色取决于电子束穿透进荧光层的深浅。慢显示的颜色取决于电子束穿透进荧光层的深浅。慢速的电子束只激活外面的红色层，快速的电子束穿速的电子束只激活外面的红色层，快速的电子束穿过红色层并激活里面的绿色层。而中速的电子束，过红色层并激活里面的绿色层。而中速的电子束，通过红、绿光发射的组合，来生成另外的两种颜色：通过红、绿光发射的组合，来生成另外的两种颜色：橙色和黄色。电子束穿透法是随机扫描显示器生成橙色和黄色。电子束穿透法是随机扫描显示器生成彩色的廉价途径，但只可能有四色，而且图形质量彩色的廉价途径，但只可能有四色，而且图形质量不如

37、其它方法。不如其它方法。荫罩法常用于光栅扫描系统，因为它能产生的彩色范围比电荫罩法常用于光栅扫描系统，因为它能产生的彩色范围比电子束穿透法宽广得多。在每个象素位置上分布着呈三角形排子束穿透法宽广得多。在每个象素位置上分布着呈三角形排列的三个荧光彩色点，三个荧光点分别发射红光、绿光和蓝列的三个荧光彩色点，三个荧光点分别发射红光、绿光和蓝光。光。这样的彩色这样的彩色CRT有三支电子枪，分别与三个荧光点相对应，有三支电子枪，分别与三个荧光点相对应，即每支电子枪发出的电子束专门用于轰击某一个荧光点。而即每支电子枪发出的电子束专门用于轰击某一个荧光点。而荫罩板被安装在紧靠荧光涂层的地方，板上有很多小孔，

38、每荫罩板被安装在紧靠荧光涂层的地方，板上有很多小孔，每个小孔与一个象素（即三个荧光点）相对应。三个电子束经个小孔与一个象素（即三个荧光点）相对应。三个电子束经聚焦偏转后穿过荫罩板上的小孔，激活该小孔对应的三个荧聚焦偏转后穿过荫罩板上的小孔，激活该小孔对应的三个荧光点。由于三个荧光点很小并充分靠近，我们观察到的是它光点。由于三个荧光点很小并充分靠近，我们观察到的是它们混合颜色的一个光点，即象素。们混合颜色的一个光点，即象素。这样的彩色这样的彩色CRT有三支电子枪，分别与三个荧光点相对应，有三支电子枪，分别与三个荧光点相对应，即每支电子枪发出的电子束专门用于轰击某一个荧光点。而即每支电子枪发出的电

39、子束专门用于轰击某一个荧光点。而荫罩板被安装在紧靠荧光涂层的地方，板上有很多小孔，每荫罩板被安装在紧靠荧光涂层的地方，板上有很多小孔，每个小孔与一个象素（即三个荧光点）相对应。三个电子束经个小孔与一个象素（即三个荧光点）相对应。三个电子束经聚焦偏转后穿过荫罩板上的小孔，激活该小孔对应的三个荧聚焦偏转后穿过荫罩板上的小孔，激活该小孔对应的三个荧光点。由于三个荧光点很小并充分靠近，我们观察到的是它光点。由于三个荧光点很小并充分靠近，我们观察到的是它们混合颜色的一个光点，即象素。们混合颜色的一个光点，即象素。屏幕上的荧光点、荫罩板上的小孔和电子枪被精确地安排处于一条直线上，使得由某一电子枪发出的电子

40、束只能轰击到它所对应的荧光点上。这样，只要调节各电子枪发出电子束的强弱，即可控制各象素中三个荧光点所发出的红、绿、蓝三色光的亮度。于是我们可以根据彩色中所含红、绿、蓝三色的数量，以不同的强度激励三个荧光点，从而可以产生范围很广的彩色。假如每个电子枪发出电子束的强度有假如每个电子枪发出电子束的强度有256个等级，则该显示器能显示个等级，则该显示器能显示16兆种颜色，即：兆种颜色，即：282828=224。能显示。能显示16兆种颜色的显示系统叫做兆种颜色的显示系统叫做真彩色显示系统。真彩色显示系统。三、随机扫描显示器三、随机扫描显示器 随机扫描显示器中，电子束可以在任意方向上自由移动，按照显示随机

41、扫描显示器中，电子束可以在任意方向上自由移动，按照显示命令用画线的方式绘出图形，因此也称矢量显示器。在随机扫描显示系命令用画线的方式绘出图形，因此也称矢量显示器。在随机扫描显示系统中，图形的定义以矢量画线命令的形式存放在显示文件中，所以依靠统中，图形的定义以矢量画线命令的形式存放在显示文件中，所以依靠显示文件对屏幕图形进行刷新。应用程序若要修改屏幕上的图形，则要显示文件对屏幕图形进行刷新。应用程序若要修改屏幕上的图形，则要修改显示文件中的某些绘图命令，修改的结果在下一次刷新时得到体现。修改显示文件中的某些绘图命令，修改的结果在下一次刷新时得到体现。图中的显示处理器图中的显示处理器DPU可以看作

42、是一个专用的可以看作是一个专用的CPU，具有，具有自己的一套指令系统、数据格式和指令计数器，同时还有一自己的一套指令系统、数据格式和指令计数器，同时还有一些功能部件，如矢量产生器、字符产生器等。在工作过程中，些功能部件，如矢量产生器、字符产生器等。在工作过程中，它依次读取显示文件中的指令系列，进行译码、解释、并启它依次读取显示文件中的指令系列，进行译码、解释、并启动功能部件在动功能部件在CRT上画出点、线、字符串等。上画出点、线、字符串等。随机扫描显示器是为画线应用设计的，由于图形修改方随机扫描显示器是为画线应用设计的，由于图形修改方便，因此交互性能较好，图形可以作无级放大，而不会出现便，因此

43、交互性能较好，图形可以作无级放大，而不会出现锯齿状。但不能显示色彩逼真图形，另外图形的显示质量与锯齿状。但不能显示色彩逼真图形，另外图形的显示质量与一帧的画线数量有关，当一帧线划太多，无法维持一帧的画线数量有关，当一帧线划太多，无法维持3060帧帧/秒的刷新频率时，就会出现满屏闪烁。秒的刷新频率时，就会出现满屏闪烁。图中的显示处理器图中的显示处理器DPU可以看作是一个专用的可以看作是一个专用的CPU，具有自己的一套指令系统、数据格式和指令计数器，具有自己的一套指令系统、数据格式和指令计数器，同时还有一些功能部件，如矢量产生器、字符产生同时还有一些功能部件，如矢量产生器、字符产生器等。在工作过程

44、中，它依次读取显示文件中的指器等。在工作过程中，它依次读取显示文件中的指令系列，进行译码、解释、并启动功能部件在令系列，进行译码、解释、并启动功能部件在CRT上画出点、线、字符串等。上画出点、线、字符串等。随机扫描显示器是为画线应用设计的，由于图随机扫描显示器是为画线应用设计的，由于图形修改方便，因此交互性能较好，图形可以作无级形修改方便，因此交互性能较好，图形可以作无级放大，而不会出现锯齿状。但不能显示色彩逼真图放大，而不会出现锯齿状。但不能显示色彩逼真图形，另外图形的显示质量与一帧的画线数量有关，形，另外图形的显示质量与一帧的画线数量有关，当一帧线划太多，无法维持当一帧线划太多，无法维持3

45、060帧帧/秒的刷新频秒的刷新频率时，就会出现满屏闪烁。率时，就会出现满屏闪烁。四、光栅扫描显示器四、光栅扫描显示器 普通使用的普通使用的CRT图形监视器是基于电视技术的图形监视器是基于电视技术的光栅扫描显示器。光栅扫描的光栅扫描显示器。光栅扫描的CRT中，电子束依照中，电子束依照固定的扫描线和规定的扫描顺序进行扫描。电子束固定的扫描线和规定的扫描顺序进行扫描。电子束先从荧光屏左上角开始，向右扫一条水平线，然后先从荧光屏左上角开始，向右扫一条水平线，然后迅速地回扫到左边偏下一点的位置，再扫第二条水迅速地回扫到左边偏下一点的位置，再扫第二条水平线，照此固定的路径及顺序扫下去，直到最后一平线，照此

46、固定的路径及顺序扫下去，直到最后一条水平线，即完成了整个屏幕的扫描。在扫描时，条水平线，即完成了整个屏幕的扫描。在扫描时，电子束的强度不断变化来建立亮点的图案。电子束的强度不断变化来建立亮点的图案。图形定义存放在帧缓冲存储器中，帧缓存保存图形定义存放在帧缓冲存储器中，帧缓存保存了对应屏幕所有点的亮度值。每个屏幕点称作象素，了对应屏幕所有点的亮度值。每个屏幕点称作象素，由于光栅扫描由于光栅扫描CRT对屏幕上每个象素都有存储亮度对屏幕上每个象素都有存储亮度信息的能力，因此它能较好地用于包含细微阴影和信息的能力，因此它能较好地用于包含细微阴影和彩色场景的逼真显示。家用电视和打印机是另一类彩色场景的逼

47、真显示。家用电视和打印机是另一类使用光栅扫描方式的例子。使用光栅扫描方式的例子。光栅扫描显示器中，屏幕图形是依靠帧缓存进行刷新的，而视频控制器是负责刷新的部件，它建立了帧缓存中的单元与屏幕象素之间一一对应的关系，视频控制器的逻辑结构如下图所示：X、Y寄存器用来存放屏幕象素的坐标，存储在帧缓存中该象素对应位置的值被取出，并用来控制CRT电子束的强度。从左到右，从上到下，对一帧的每一个象素都进行处理后，又重复上述过程进行下一轮的刷新。象素的亮度范围取决于帧缓存的位数。在简单的黑白显示中，象素的亮度范围取决于帧缓存的位数。在简单的黑白显示中，每个象素只有两个亮度值：亮、暗，因此每个象素只需一位每个象

48、素只有两个亮度值：亮、暗，因此每个象素只需一位来控制屏幕位置的亮度。如果要显示彩色并且亮度可变，就来控制屏幕位置的亮度。如果要显示彩色并且亮度可变，就需要增加位，在高质量系统中，每个象素可多达需要增加位，在高质量系统中，每个象素可多达24位（红、位（红、绿、蓝三基色，每种基色占绿、蓝三基色，每种基色占8位：位：83=24位），这时每个位），这时每个象素可显示象素可显示224种亮度值。种亮度值。工作于高分辨率和真彩色模式下的光栅系统显示的图形工作于高分辨率和真彩色模式下的光栅系统显示的图形精度高、质量好，但也带来两个问题：精度高、质量好，但也带来两个问题：其一是需要大容量的帧缓存，例如当屏幕分辨

49、率为其一是需要大容量的帧缓存，例如当屏幕分辨率为10241024，每个，每个象素象素24位（以真彩色显示）时，帧缓存的容量需要：位（以真彩色显示）时，帧缓存的容量需要：1024102424/8=3M字节；字节；其二是要求视频控制器对帧缓存有较快的存取速度，通信线路有较其二是要求视频控制器对帧缓存有较快的存取速度，通信线路有较大的传输带宽。大的传输带宽。解决的办法也有两个：采用彩色表机制和采用隔行扫描方法。解决的办法也有两个：采用彩色表机制和采用隔行扫描方法。1、彩色表、彩色表 彩色表是一维的线性表，它用来定义象素的颜色。我们知道要显示彩色表是一维的线性表，它用来定义象素的颜色。我们知道要显示很

50、多种颜色，帧缓存的容量就要很大。但实际上对一幅具体的画面而言，很多种颜色，帧缓存的容量就要很大。但实际上对一幅具体的画面而言，其使用的颜色数目并不多（几百至几千种）。为了解决帧缓存容量不能其使用的颜色数目并不多（几百至几千种）。为了解决帧缓存容量不能过大而又满足实际需要，产生了彩色表，彩色表又称为调色板，它的工过大而又满足实际需要，产生了彩色表，彩色表又称为调色板，它的工作原理如下图所示。作原理如下图所示。从图中可以看到，帧缓存各单元保存的不再是相应象素的颜色值，而仅从图中可以看到，帧缓存各单元保存的不再是相应象素的颜色值，而仅是该象素颜色的一个索引，它是彩色表的某个地址，按照这个索引值在是该